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Dokumentenidentifikation DE10130468A1 15.05.2003
Titel Verfahren zum elektrischen Verbinden
Anmelder Conti Temic microelectronic GmbH, 90411 Nürnberg, DE
Erfinder Albert, Andreas, 91315 Höchstadt, DE;
Henninger, Jürgen, 91056 Erlangen, DE
DE-Anmeldedatum 23.06.2001
DE-Aktenzeichen 10130468
Offenlegungstag 15.05.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.05.2003
IPC-Hauptklasse H01R 43/02
IPC-Nebenklasse B60R 16/02   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrischen Verbinden einer ersten Kontaktfläche mit einer zweiten Kontaktfläche, bei dem mittels einer Verbindungsvorrichtung geführter Verbindungsdraht in Aussparung einer Ablagefläche oder zwischen Ausformungen der Ablagefläche abgelegt wird.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrischen Verbinden einer ersten Kontaktfläche mit einer zweiten Kontaktfläche gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei der Herstellung von elektronischen Komponenten für die Kraftfahrzeugindustrie besteht häufig die Notwendigkeit, die elektronischen Komponenten den unterschiedlichen Spezifikationen der Kraftfahrzeughersteller anpassen zu können. Dabei betreffen diese Spezifikationen beispielsweise bei einem Steuergerät häufig weniger das Steuergerät selbst, als vielmehr die Anordnung der dem Steuergerät zugeordneten Aktoren und Sensoren, die außerhalb des Gehäuses des Steuergerätes mittels mit dem Steuergerät verbunden Haltern positioniert und elektrisch mit dem Steuergerät kontaktiert werden.

Die Halter sowie die elektrische Kontaktierungen müssen dabei resistent gegen Motoröl, Getriebeöl und Wasserdampf sein, und sollten für den Betrieb bei hohen Temperaturunterschieden ausgelegt sein

Als Halter und zugleich elektrische Kontaktierung von einem Steuergerät zugeordneten Aktoren und Sensoren können vorteilhaft Stanzgitter verwendet werden, wie es beispielsweise in der Druckschrift DE 195 15 622 beschrieben ist.

Dabei wird die elektrische Verbindung zwischen den Kontaktflächen eines Steuergerätes sowie den Kontaktflächen der Aktoren und Sensoren mittels aus dem Gehäuse des Steuergerätes heraus geführten Stanzgittern hergestellt. Die Stanzgitter können dabei fast in jede Form gebracht werden, weisen eine hohe mechanische Stabilität auf und können mit hohen Strömen beaufschlagt werden.

Der wesentliche Nachteil der Stanzgittertechnik als Halter für einem Steuergerät zugeordneten Sensoren und Aktoren besteht darin, daß die Herstellung der Werkzeuge zum Stanzen der aus Kupfer bestehenden Stanzgitter sehr teuer ist, wodurch Steuergeräte mit Stanzgittern nur bei einer hohen herzustellenden Stückzahl kostengünstig gefertigt werden können. Bereits kleine Änderungen in der Form eines Stanzgitters bedeuten einen sehr hohen Aufwand und sind oft nicht wirtschaftlich durchzuführen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum elektrischen Verbinden einer ersten Kontaktfläche mit einer zweiten Kontaktfläche gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, das für kleine Stückzahlen kostengünstig anzuwenden ist, und daß eine einfache und kostengünstige Änderung der Verbindung zweier Kontaktflächen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale in den Kennzeichen des Patentanspruches 1 gelöst.

Demnach wird der Verbindungsdraht von einer Verbindungsvorrichtung zwischen der ersten Kontaktfläche und der zweiten Kontaktfläche in einer Aussparung abgelegt, die in einer beispielsweise von einem Kunststoffträger gebildeten Ablagefläche ausgebildeten ist. Die Aussparungen weisen dabei beispielsweise den gleichen Querschnitt wie der verwendete Verbindungsdraht auf, wodurch der Verbindungsdraht weitgehend umschlossen, und dadurch vor Kurzschlüssen sowie vor mechanischen Beschädigungen weitgehend geschützt ist. Die Verbindungsvorrichtung muß dabei beispielsweise mittels eines Roboterarms sehr genau positioniert werden können.

Alternativ kann der Verbindungsdraht von der Verbindungsvorrichtung zwischen der ersten Kontaktfläche und der zweiten Kontaktfläche zwischen auf der Ablagefläche ausgebildeten Ausformungen abgelegt werden. Diese Ausformungen, die in ihrer Höhe die Dicke des Verbindungsdrahtes beispielsweise um das zweifache übersteigen, bewirken ebenfalls einen Schutz vor Kurzschlüssen und vor mechanischen Beschädigungen, wobei die Verbindungsvorrichtung beim Verlegen des Verbindungsdrahtes nicht so genau Positioniert werden muß.

Dabei ist vorgesehen, daß der Verbindungsdraht von der Verbindungsvorrichtung zuerst mit einer ersten Kontaktfläche verbunden wird, daß anschließend der Verbindungsdraht in die Aussparung der Ablagefläche oder zwischen die Ausformungen der Ablagefläche abgelegt wird, und daß danach der Verbindungsdraht mit einer zweiten Kontaktfläche verbunden wird.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Verbindungsdraht zur Kompensation thermischer Ausdehnung so auf der Ablagefläche abgelegt wird, daß der Verbindungsdraht in der Ebene der Ablagefläche mindestens eine Schlaufe bildet. Bei einer Abkühlung und dadurch bedingten Zusammenziehen des Verbindungsdrahtes kann so die Verbindungen zwischen den Kontaktflächen und dem Verbindungsdraht nicht abreißen, sondern es zieht sich lediglich die Schlaufe zusammen. Dabei werden die Aussparung in der Ablagefläche oder die Ausformungen auf der Ablagefläche zur Aufnahme der mindestens einen Schlaufe ausgebildet.

Alternativ kann zur Kompensation thermischer Ausdehnung der Verbindungsdraht von der Verbindungsvorrichtung spiralisiert oder in Wellen abgelegt werden, wobei die Aussparung in der Ablagefläche so bemessen wird, daß der spiralisierte oder gewellte Verbindungsdraht aufgenommen werden kann.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Verbindungsdraht fixiert wird, indem die Aussparung oder die Ausformungen durch Warmverstemmen zumindest partiell plastisch verformt wird und dort den Verbindungsdraht einklemmt.

In einer nächsten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Verbindungsdraht zur elektrischen Isolation mit einem beispielsweise elastischen Material abgedeckt wird.

Zudem kann zur elektrischen Isolation des Verbindungsdrahtes vor dem Ablegen des Verbindungsdrahtes in die Aussparung der Ablagefläche oder zwischen die Ausformungen der Ablagefläche ein Isolierlack aufgetragen wird. Der Isolierlack weist dabei zusätzlich eine den Verbindungsdraht fixierende Wirkung auf.

In einer letzten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Verbindungsdraht mit den Kontaktflächen durch die Verbindungsvorrichtung mittels Laserschweißen verbunden wird.

Das beschriebene Verfahren zum elektrischen Verbinden einer ersten Kontaktfläche mit einer zweiten Kontaktfläche mittels einem von der Verbindungsvorrichtung geführten Verbindungsdraht kann auch bei der Herstellung kleiner Stückzahlen kostengünstig angewendet werden, wobei eine Änderung beispielsweise in der Lage der Kontaktflächen durch Umprogrammieren des Roboterarms einfach und kostengünstig durchgeführt werden kann.

Im folgenden ist das Verfahren zum elektrischen Verbinden einer ersten Kontaktfläche mit einer zweiten Kontaktfläche anhand von zwei Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit drei Figuren dargestellt und erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der von einem Roboterarm geführten Schweißvorrichtung zum Verbinden einer ersten mit einer zweiten Kontaktfläche mittels eines Verbindungsdrahtes,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines zwei Kontaktflächen verbindenden Verbindungsdrahtes, der von einer Verbindungsvorrichtung in Aussparung einer Ablagefläche verlegt wird,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines zwei Kontaktflächen verbindenden Verbindungsdrahtes, der von einer Verbindungsvorrichtung zwischen Ausformungen einer Ablagefläche verlegt wird.

Inder Fig. 1 ist eine als Schweißvorrichtung ausgeführte Verbindungsvorrichtung 6 zur Durchführung des Verfahrens zum Verbinden einer ersten Kontaktfläche mit einer zweiten Kontaktfläche dargestellt. Die Schweißvorrichtung 6 ist auf einem nicht dargestellten Roboterarm montiert, der es ermöglicht die Schweißvorrichtung 6 in beliebige Positionen zu bringen.

Die Schweißvorrichtung 6 besteht aus einer Drahtvorschubeinheit 6.1, die im Gehäuse der Schweißvorrichtung 6 angeordnet ist, und die den Verbindungsdraht 5 entsprechend den Bewegungen des Roboterarms zum Verlegen des Verbindungsdrahtes 5 und entsprechend dem Materialbedarf beim Verschweißen des Verbindungsdrahtes 5 mit einer Kontaktfläche von einer Vorratsrolle abwickelt.

Der Verbindungsdraht 5 wird über eine Klemmeinheit 6.2 aus dem Gehäuse der Schweißvorrichtung 6 herausgeführt, die den Verbindungsdraht 5 fixieren und freigeben kann, wodurch der Verbindungsdraht beim Verlegen definiert gespannt werden kann. An der Klemmeinheit 6.2 ist eine Abschereinheit 6.3 angeordnet, die den Verbindungsdraht 5 nach dem letzten Verschweißen mit einer Kontaktfläche abtrennt.

Das Verschweißen erfolgt mittels einer Lasereinheit 6.4, die ebenfalls im Gehäuse der Schweißvorrichtung 6 angeordnet ist. Die Lasereinheit 6.4 erzeugt einen hochenergetischen Laserstrahl, der den Verbindungsdraht 5 sowie eine Kontaktfläche im Bereich von Millisekunden partiell so stark erwärmt, daß das Material des Verbindungsdrahtes 5 und das Material der Kontaktfläche partiell schmelzen, ineinander verlaufen und dabei eine intermetallische Phase bilden, die frei von Übergangswiderständen ist.

Als Verbindungsdraht 5 wird beispielsweise ein Kupferdraht verwendet, der einen Durchmesser von 0.5 Millimetern aufweist. Bei dieser Dicke besitzt der Verbindungsdraht 5 eine ausreichende Eigenstabilität, so daß sich der Verbindungsdraht 5 beim Einwirken äußerer Kräfte nicht verformt. Dennoch muß beim Verlegen mehrerer Verbindungsdrähte nebeneinander dafür Sorge getragen werden, daß beispielsweise Metallspäne keinen Kurzschluß zwischen beieinander liegenden Verbindungsdrähten verursachen. Zudem muß sich der Verbindungsdraht 5 entsprechend dem auftretenden Temperaturdifferenzen ungehindert ausdehnen und zusammenziehen können.

In den Fig. 2 und 3 ist jeweils ein Steuergerät 9 eines automatischen Getriebes eines Kraftfahrzeuges dargestellt. Aus dem Gehäuse des Steuergerätes 9 sind mehrere Kontakte herausgeführt, von denen drei Kontakte zum Kontaktieren eines Hallsensors 8 vorgesehen sind. Einer dieser Kontakt ist exemplarisch als erste Kontaktfläche 1 bezeichnet. Der entsprechend drei Kontakte aufweisende Hallsensors 8 sensiert das Magnetfeld von mehreren auf einer Welle angeordneten Permanentmagneten. Aus dem Signal des Hallsensors 8 bestimmt das Steuergerät 9 beispielsweise die Drehzahl und die Beschleunigung der Welle. Einer der Kontakte des Hallsensors 8 ist exemplarisch als zweite Kontaktfläche 2 bezeichnet.

Zur Befestigung des Hallsensors 8 direkt bei der Welle ist an dem Gehäuse des Steuergerätes 9 ein eine Ablagefläche aufweisender Halter 7 ausgebildet, an dessen äußerem Ende der Hallsensor 8 befestigt ist.

Fig. 2 zeigt die Anordnung aus Steuergerät 9 und Hallsensor 8 mit einem Halter 7, in dem für die drei zu verbindenden Kontakte des Steuergeräts 9 und des Hallsensors 8 zur Aufnahme der drei Verbindungsdrähte 5 drei Aussparungen 3 ausgearbeitet sind.

Zum Verbinden der ersten Kontaktfläche 1 mit der zweiten Kontaktfläche 2 fährt der Roboterarm die Schweißvorrichtung 6 in die Position, in der das freie Ende des Verbindungsdrahtes 5 der Vorratsrolle der Schweißvorrichtung 6 auf der ersten Kontaktfläche 1 zur Auflage kommt. Durch die Lasereinheit wird der Verbindungsdraht 5 fest mit der ersten Kontaktfläche 1 verschweißt. Danach führt der Roboterarm die Schweißvorrichtung 6 über den Halter 7, wobei die Drahtvorschubeinheit den Verbindungsdraht 5 genau so abrollt, daß sich der Verbindungsdraht 5 in die vorgesehene Aussparung 3 legt.

Zur Kompensation thermischer Ausdehnung weißt jede der Aussparungen eine Ausgestaltung auf, in die der Verbindungsdraht in Form einer Schlaufe 10 abgelegt werden kann. Da der Verbindungsdraht 5 beim Verlegen Raumtemperatur aufweist, und später Temperatur von bis zu 150 Grad Celsius ausgesetzt ist, nimmt die Schlaufe 10 beim Verlegen lediglich den halben zur Verfügung stehenden Platz der Ausgestaltung ein.

Zur zusätzlichen Isolierung und zur Fixierung des Verbindungsdrahtes 5 kann die Ausformung 3 und die Ausgestaltung mit einem elastischen Isolierlack gefüllt werden.

Als Alternative zur Ausgestaltung kann der Verbindungsdraht 5 zur Kompensation thermischer Ausdehnung zumindest Stückweise von einer Zusatzvorrichtung an der Schweißvorrichtung 6 entlang seiner Längsachse spiralisiert werden, wobei die Aussparungen 3 entsprechend breiter ausgebildet werden müssen.

Fig. 3 zeigt die gleiche Anordnung aus Steuergerät 9, Hallsensor 8 und Halter 7, wobei zur gegenseitigen Isolation der Verbindungsdrähte 5 vor Kurzschlüssen mehrere Ausformungen 4 auf dem Halter 7 ausgebildet sind. Der Halter 7 weist zudem Öffnungen 11 auf, durch welche der Halter 7 dem Ölstrom im Gehäuse des automatischen Getriebes weniger entgegensteht. Der Verbindungsdraht weist dabei eine so hohe Eigenstabilität auf, daß er über den Öffnungen 11 im Halter 7 verlegt werden kann.

Zum Verbinden der ersten Kontaktfläche 1 mit der zweiten Kontaktfläche 2 fährt der Roboterarm wieder die Schweißvorrichtung 6 in die Position zum Verschweißen des freien Endes des Verbindungsdrahtes 5 mit der ersten Kontaktfläche 1. Danach führt der Roboterarm die Schweißvorrichtung 6 über den Halter 7, wobei die Drahtvorschubeinheit den Verbindungsdraht 5 so abrollt, daß sich der Verbindungsdraht 5 zwischen die Ausformungen 4 legt.

Zur Kompensation thermischer Ausdehnung wird der Verbindungsdraht 5 einfach in der Ebene der Ablagefläche des Halters 7 mit leichten Wellen abgelegt. Eine zusätzliche Fixierung des Verbindungsdrahtes 5 kann beispielsweise durch Warmverstemmen an wenigen Stellen des aus Kunststoff bestehenden Materials des Halters 7 erfolgen. Alternativ kann der Verbindungsdraht 5 mit einem elastischen Abdeckmaterial fixiert werden.

Tritt bei der Serienherstellung die Notwendigkeit auf die Position des Hallsensors 8 zu verändern, muß lediglich der Halter 7 entsprechend angepaßt werden. Der Veränderte Verlauf der Verbindungsdrähte zur Kontaktierung einer ersten Kontaktfläche 1 mit einer zweiten Kontaktfläche 2 wird in einfacher Weise durch eine Umprogrammierung des die Schweißvorrichtung 6 tragenden Roboterarms erreicht.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren zum elektrischen Verbinden einer ersten Kontaktfläche 1 mit einer zweiten Kontaktfläche 2 können auch Kleinserien kostengünstig gefertigt werden, wobei Änderungen in der Lage der Kontaktflächen kurzfristig vorgenommen werden können.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zum elektrischen Verbinden einer ersten Kontaktfläche (1) mit einer zweiten Kontaktfläche (2) mittels einem von einer Verbindungsvorrichtung (6) geführten Verbindungsdraht (5), wobei zwischen den Kontaktflächen (1, 2) zumindest teilweise eine Ablagefläche (7) besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungsdraht (5) von der Verbindungsvorrichtung (6) zwischen der ersten Kontaktfläche (1) und der zweiten Kontaktfläche (2) in einer in der Ablagefläche (7) ausgebildeten Aussparung (3) abgelegt wird, oder daß der Verbindungsdraht (5) von der Verbindungsvorrichtung (6) zwischen der ersten Kontaktfläche (1) und der zweiten Kontaktfläche (2) zwischen auf der Ablagefläche (7) ausgebildeten Ausformungen (4) abgelegt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungsdraht (5) von der Verbindungsvorrichtung (6) zuerst mit der ersten Kontaktfläche (1) verbunden wird, daß der Verbindungsdraht (5) sodann in Aussparung (3) der Ablagefläche (7) oder zwischen Ausformungen (4) der Ablagefläche (7) abgelegt wird, und daß der Verbindungsdraht (5) anschließend mit der zweiten Kontaktfläche (2) verbunden wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungsdraht (5) zur Kompensation thermischer Ausdehnung so auf der Ablagefläche (7) abgelegt wird, daß der Verbindungsdraht (5) in der Ebene der Ablagefläche (7) mindestens eine Schlaufe (10) bildet, und daß die Aussparung (3) oder die Ausformungen (4) zur Aufnahme der mindestens einen Schlaufe (10) ausgebildet werden.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation thermischer Ausdehnung der Verbindungsdraht (5) von der Verbindungsvorrichtung (6) spiralisiert in der Aussparung (3) oder der Ausformung (4) der Ablagefläche (7) abgelegt wird.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungsdraht (5) fixiert wird, indem die Aussparung (3) oder die Ausformungen (4) durch Warmverstemmen zumindest partiell plastisch verformt wird.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungsdraht (5) mit einem elastischen Material abgedeckt wird.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Ablegen des Verbindungsdrahtes (5) in die Aussparung (3) der Ablagefläche (7) oder zwischen die Ausformungen (4) der Ablagefläche (7) ein Isolierlack aufgetragen wird.
  8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungsdraht (5) mit der ersten Kontaktfläche (1) und der zweiten Kontaktfläche (3) durch die Verbindungsvorrichtung (6) mittels Laserschweißen verbunden wird.






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